2026年1月，德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學(xué)的Rüdiger Simon團隊在Nature Plants發(fā)表題為Imputation integrates single-cell and spatial gene expression data to resolve transcriptional networks in barley shoot meristem development的論文，該研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的插補算法，通過整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與空間基因表達(dá)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了大麥莖尖分生組織發(fā)育的細(xì)胞分辨率全轉(zhuǎn)錄組圖譜，并搭建了在線數(shù)據(jù)庫 BARVISTA。進(jìn)一步借助“分子表型”分析，研究揭示了復(fù)雜突變體的發(fā)育缺陷，為深入解析植物發(fā)育過程中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了強大工具。

首個高分辨率的大麥分生組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

研究團隊使用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)分析了大麥莖尖分生組織和幼穗，獲得了超過16,000個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過降維聚類分析，細(xì)胞被劃分為27個亞群，歸類為維管組織、原套、原體和分裂細(xì)胞等四大類。每個類群和亞群都鑒定了特異性標(biāo)記基因，如HvHDZIV8和HvKN1。這一圖譜為后續(xù)細(xì)胞發(fā)育軌跡追蹤和基因功能解析提供了堅實的基礎(chǔ)。

兩項創(chuàng)新：插補算法和BARVISTA平臺

該研究開發(fā)了一種插補算法，能夠?qū)渭?xì)胞和空間基因表達(dá)數(shù)據(jù)整合。通過單分子熒光原位雜交技術(shù)，研究團隊量化了86個標(biāo)記基因的空間表達(dá)數(shù)據(jù)，并將其作為定位錨點，通過余弦相似度算法匹配相似的單細(xì)胞數(shù)據(jù)。該方法成功將單細(xì)胞表達(dá)信息投射到組織切片上，生成了虛擬原位轉(zhuǎn)錄組圖譜，并通過BARVISTA平臺為用戶提供了直觀的查詢和分析工具。

原基起始的基因調(diào)控程序

借助BARVISTA平臺，研究團隊揭示了器官原基起始的基因調(diào)控程序。在葉或小穗的創(chuàng)始細(xì)胞中，維持分生組織干性的HvKN1 mRNA先于形態(tài)變化被特異性耗竭，成為原基特化的最早標(biāo)志。而在新形成的原基頂端，一小群L1層細(xì)胞重新共表達(dá)HvKN1和細(xì)胞分裂素合成基因HvLOG1，暗示可能存在局部正反饋環(huán)路以建立新的生長中心。同時，創(chuàng)始細(xì)胞群內(nèi)呈現(xiàn)極性分化：遠(yuǎn)軸面表達(dá)HvCRC標(biāo)記受抑制苞片，近軸面則由VRS4和COM1依次表達(dá)，在轉(zhuǎn)錄層面預(yù)先決定了小穗分生組織的身份與模式。

擬時序分析重構(gòu)花器官發(fā)育的基因調(diào)控軌跡

研究團隊對原體細(xì)胞亞群進(jìn)行了擬時序分析，重構(gòu)了從小穗分生組織到花器官的發(fā)育軌跡。在擬時序分析重構(gòu)的虛擬時間軸上，一系列MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因呈現(xiàn)出清晰的波浪式接力表達(dá)模式。這些基因在不同的關(guān)鍵節(jié)點被依次激活，精確界定了從MADS-box基因在花部輪層身份中的作用，從而為禾本科植物的“ABCDE花發(fā)育模型”提供了單細(xì)胞級分子證據(jù)。

"分子表型"鑒定助力復(fù)雜突變體的精準(zhǔn)解析

該方法可對復(fù)雜突變體進(jìn)行單細(xì)胞水平的“分子表型”鑒定。研究利用BARVISTA平臺，對大麥com1a;com2g雙突變體進(jìn)行了“分子表型”鑒定，其突變體花序呈現(xiàn)無限分枝且無法形成正常小穗。在分析過程中，研究人員為不同發(fā)育階段定義了由少數(shù)基因組合構(gòu)成的“基因表達(dá)條形碼”。結(jié)果顯示，野生型小穗分生組織逐步獲得花分生組織“條形碼”，而突變體相應(yīng)結(jié)構(gòu)始終維持無限生長的穗頂分生組織“條形碼”，無法完成身份轉(zhuǎn)變，從轉(zhuǎn)錄層面揭示了其發(fā)育缺陷的分子根源。

該研究通過開發(fā)BARVISTA平臺和創(chuàng)新的插補算法，為大麥莖尖分生組織的發(fā)育過程提供了全新的空間-單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)整合方法，并揭示了器官原基起始、花器官發(fā)育的基因調(diào)控軌跡，為復(fù)雜突變體的“分子表型”分析提供了新工具，為未來的植物基因調(diào)控研究提供了強大的技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。